Измерение вакуума (часть 5). Обработка сигнала от ионизационного датчика давления (пример)

В прошлых статьях: 1, 2, 3, 4 было коротко рассказано про традиционные датчики измерения вакуума и приведён пример перспективного (на мой взгляд) орбитронного датчика для измерения высокого и сверхвысокого вакуума

В этой статье мне хотелось бы коснуться неисчерпаемой темы преобразования сигналов физических датчиков в электронную (в том числе цифровую) форму, несущую пригодную для воспринятия человеком или компьютерной программы информацию о результатах измерения тех или иных физических величин.

Сперва немного критики. На этой ниве в РФ практически всё плохо. Прежде всего утеряна методология подготовки инженерных кадров для нестандартного проектирования радиотехнических устройств (а для того, что бы быть на острие технического прогресса, надо уметь проектировать именно нестандартные радиотехнические системы). ВУЗам понравилось штамповать проектировщиков систем на микроконтроллерах или вообще сборщиков «лего» на Ардуино. Зачем изобретать нестандартную электронику для преобразования сигнала от датчика, если все преобразователи сигналов от всех датчиков выпускаются на Западе в виде микросхем с подробными инструкциями по применению? Только тут надо понимать, что эти микросхемы выпускаются на Западе, для датчиков разработанных и выпускающихся западными корпорациями. Такой подход автоматически обрекает отечественную электронику на роль туземцев, рассматривающих красивые бусы.

Я знаю достаточно много российских инженеров, которые имеют интересные разработки различных датчиков физических величин. Им всем за 70 лет, но многие ещё имеют энергию не оставлять попытки внедрения своих разработок. Но, если такой инженер сам не является бизнесменом, имеющим ресурсы и волю для коммерческой реализации собственного изобретения (для РФ это я видел такие примеры только в ВПК), то, в связи с вышеописанными системными проблемами, шансов реально внедрить разработку практически нет было в РФ.

Ещё большая беда заключается, если вы вдруг захотите свой датчик сделать средством измерения, т.е. сертифицированным государством и введённым в Госреестр Средств Измерения преобразователем физической величины. Если датчик и система снятия информации с него стандартизованы (т.е. описаны в каком-то ГОСТ) или являются функциональным аналогом импортного оборудования (описаны в иностранных стандартах, с которых под копирку переписываются отечественные ГОСТ-ы), то ваши проблемы могут заключаться только в поисках нужной суммы денег (от 500 тысяч за совсем простые приборы до пары миллионов рублей, по моим оценкам) и сертифицированной организации. Если же вы хотите превратить в официальное средство измерения нестандартный датчик или прибор с нестандартной обработкой сигналов от пусть даже стандартного датчика, то тут круги ада могут быть существенно и непредсказуемо больше. Дело в том, что профильные НИИ, отвечающие за формирование ГОСТ-ов и Реестра Средств Измерения, фактически превращены в бюрократические конторы по транспорту западных разработок на отечественный рынок. Можно ли в их работе что-то поменять с тем же составом начальства и персонала? Не думаю.

В первой статье этого цикла я уже описывал свою личную историю и закончил её на том, что студентом оказался в научно-инженерной группе, занятой неразрушающим контролем давления в отпаянных электровакуумных приборах (ЭВП). Задача, казалось бы, не особо сложная, заключающаяся в том, что надо тот или иной тип электровакуумного прибора включить в режиме ионизационного датчика давления, выставить некое значение электронного тока и померить ионный ток, который и будет мерой давления. На самом же деле, реальные конструкции ЭВП далеки от конструкций стандартных манометрических датчиков. Некоторые ЭВП вообще диодной конструкции, и там стандартная методика от трёх-электродного датчика не может подойти. У многих ЭВП либо нет возможности регулировать (стабилизировать) электронный ток, либо при регулировке электронного тока будет серьёзно изменяться коэффициент преобразования такого импровизированного датчика. Про измерение вакуума при помощи диодных конструкций я как-нибудь отдельно расскажу. Это же рассказ будет про рождение метода обработки сигналов (управления) от трёх-электродного ионизационного датчика, который возник, как результат решения задачи измерения вакуума в отпаянных цветных кинескопах (ЦЭЛТ).

Итак, вернувшись со службы в Советской Армии на 2-й курс Рязанского радио-института (РРТИ), я ещё больше стал вечерами пропадать в упомянутой лаборатории и за учебный год изрядно вник в тематику вакуумных измерений. После третьего курса на первую производственную практику я попал в качестве технолога-стажёра на завод, производящий кинескопы и там местному начальнику участка рассказал про то, чем занимается лаборатория, где я прибился подмастерьем. И тут же получил от него своеобразное техническое задание-пожелание о том, что заводу очень нужен прибор для измерения вакуума в отпаянных кинескопах на конвейерной линии в автоматическом режиме. Дело в том, что сама по себе задача получения информации о вакууме в кинескопе была давно решена и каждый завод на опытном производстве разрабатывал и изготавливал для своих внутренних применений измерители вакуума в кинескопе, но такие приборы не годились для автоматизации процесса измерения.

Коротко расскажу, что представляло из себя сборочное производство кинескопного завода. Это было очень автоматизированное производство, где технологически последовательно в нескольких параллельных производственных линиях располагалась конвейерная машина откачки ЦЭЛТ и далее конвейер высоковольтной и низковольтной тренировки ЦЭЛТ. Между собой всё тоже соединялось конвейерами. Ниже будет фото простых транспортировочных конвейеров кинескопного производства. Конвейер тренировки отличался от транспортировочного тем, что там каждая подвеска была оборудована кабелем с разъёмом и шинно-щёточной системой, через которую по мере движения кинескоп подключался к различным источникам питания для реализации технологического процесса тренировки.

Казалось бы, что есть конвейер тренировки, есть шинно-щёточная система, а, значит, подключай к ней вакуумметр и организуй 100% массовый замер вакуума в продукции, что может стать очень информативным параметром для контроля за технологией производства. Проблема заключалась в том, что традиционные вакуумметры не позволяли реализовать такой «фокус», поскольку нуждались в существенно большем количестве подключенных электродов для измерений, чем имелось на конвейере тренировки. Например, в них электронный ток стабилизировался при помощи изменения напряжения на модуляторе ЦЭЛТ, а на «тренере» вообще не было отдельного вывода от модулятора.

Словом, вернувшись в институт, я рассказал проблему старшим товарищам. Шёл 1989-й год.

• Кажется, у нас есть решение для этой проблемы, а завод заплатит за прибор? — спросили старшие товарищи.

Завод готов был заплатить немного денежек в рамках НИОКР с радио-институтом, если представленный макет будет хоть что-то измерять. Первый простой прибор, который я повёз на производство, был результатом другой НИОКР нашей лаборатории. Он не нуждался в стабилизации электронного тока, так как замер ионного тока происходил при помощи стандартного цифрового нано-амперметра, синхронизированного со срабатыванием компаратора, настроенного на фиксированное значение электронного тока. Т.е. кинескоп щётками на очередной позиции подключался к шинам, его катод получал питание накала и начинал греться, ток катода постепенно нарастал, и в определённый момент наш приборчик давал команду на замер и запоминание значения ионного тока.

В лаборатории института метод измерения работал отлично, в лаборатории СКТБ завода тоже было всё хорошо. Проблемы начались, когда приборчик подключили к специально вырезанному для измерений месту конвейера тренировки. И, если совсем плохой вакуум прибор как-то ещё индицировал, то для основной массы кинескопов показания оставляли желать лучшего. Но они были хотя бы какие-то, и многих это устраивало, но не меня.

Во первых, я выяснил, что использовать фокусирующий электрод кинескопа в качестве коллектора ионов, не правильно, поскольку используемые на конвейерах керамические панельки имеют утечки. Попробовал отбирать ионный ток на 2-й анод кинескопа (это куда в рабочем режиме подаётся напряжение 25 кВ). Утечки пропали, но усилилась неоднозначность измерения, связанная с производственными электромагнитными помехами (например, работа высоковольтного прожига 50 кВ в нескольких десятков метрах), ведь площадь анода кинескопа очень большая. Было понятно, что нужно придумать новое техническое решение.

В Рязани рассказал про проблемы с эксплуатацией прибора своему научному руководителю (не официальному, но реальному) Коротченко Владимиру Александровичу. Он сходу предложил подумать над схемой на конденсаторах, где бы накапливался электронный и ионный заряд, поскольку, при переходе от измерения токов электронов и ионов в ионизационном датчике к измерению их зарядов физически ничего не меняется. Когда он заканчивал описывать идею схемы с конденсаторами, я уже знал, как она будет выглядеть с применением операционных усилителей, на которых можно создать почти идеальные интеграторы.

Вакуумметр (Рис.5.3) был мной изготовлен и внедрён для постоянной работы на конвейерном массовом производстве ЦЭЛТ. Более того, на эту разработку было получено моё первое Авторское Свидетельство об изобретении (АС) СССР. Уже на следующей практике между 4-й и 5-м курсами института я увлёкся АСУ ТП и интегрировал этот прибор в только созданную на сборочном участке на базе одноплатной ЭВМ типа МС1201 систему сбора информации. Далее, был ещё год учёбы в РРТИ и ещё одна модернизация интегрирующей схемы с ещё одним АС, с возможностью автоматической адаптации к эмиссии катода, фактически, представляющая собой два интегрирующих АЦП, наложенных друг на дружку и позволяющей получить динамический диапазон по величине давления 4 порядка за один цикл измерения (интеграция до 20 сек), от 10^-7 до 10^-3 Торр. Понятно, что тогда не было никаких микроконтроллеров, а выходной сигнал прибора был в виде импульса, длительность которого была пропорциональна измеренному давлению и подсчитывалась, как встроенным цифровым счётчиком, так и внешним АСУТП , получающим сигнал по интерфейсу «токовая петля — 20 мА».

Насколько это было по тем временам инновационно? Абсолютно. Измерение ионного тока в десятые доли нано-Ампер в условиях производственных помех через неэкранированную шинно-щёточную систему конвейера, подобного не было больше ни у кого в СССР, и не было ни на одном из нескольких десятков тогда работающих заводов в мире.

Какова была судьба конкретно этого изобретения? Она не столь печальна, как у многих изобретений из СССР. По крайней мере, мы, уже будучи в свободном «плавании» через хороших знакомых смогли заинтересовать этим прибором кинескопный завод «Экранас» (Литва) и в 2001 году внедрили подобный измеритель на их конвейере, где он (насколько мне известно) проработал до закрытия этого последнего завода бывшего СССР в 2007 году.

Любопытно, что, получив заказ от литовцев, мы отправились в тогда ещё целый, но уже два года не работающий, не отапливаемый цех сборки ЦЭЛТ. Мне хотелось найти там хотя бы в груде выброшенного хлама свой последний вариант прибора, что бы уточнить конструкцию и сделать копию. Каково же было моё удивление, когда я нашёл этот прибор подключенным к конвейеру и под напряжением 220 Вольт. Оказалось, что старший мастер участка использовал вакуумметр не только по прямому назначению, но и в качестве независимого счётчика прошедших через него кинескопов (для борьбы с воровством!), поэтому приказал сделать для него независимое от конвейера питание. Ещё более удивительно было то, что прибор оказался полностью работоспособным! Мы его потом в своей работе использовали ещё несколько лет.

Какой потенциал у этого принципа снятия показаний с ионизационного датчика сегодня? Фактически, описанный принцип интегрирования позволяет совершенно иначе применять, как известные ионизационные датчики с термоэмиссионным (да и не только с ним) катодом, но и создавать более удобные для применения датчики с импульсным режимом работы, а, значит, кратно более длительной работоспособностью. И у этих утверждений есть практическая реализация.

На фото вакуумметр с диапазоном измерения 10^-7 — 760 Торр без дополнительной тепловой лампы, работающий попеременно на 2 ионизационных датчика, разработанный и выпущенный нашей компанией ограниченной партией , применяемый нами в собственном производстве, а также несколькими нашими партнёрами. Применение импульсного интегрирующего способа обработки сигналов от традиционного датчика (например, ПМИ-2), позволило так же реализовать при помощи нити катода лампы оценку низкого вакуума чуть видоизменённым от классического «Пирани» динамическим способом (тоже запатентованным в РФ), и всё это вместе позволило кратно увеличить срок службы ионизационного датчика в реальных производственных условиях, а так же повысить однозначность измерений давления в области высокого вакуума.